CN114044794A - 一维链状镝铁单分子磁体及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一维链状镝铁单分子磁体及其合成方法和应用，所述单分子磁体的结构简式为：Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)，其中LN5的化学结构式为：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明所述方法利用稀土镝离子和铁氰酸根作为基元构筑了一维链状结构，镝和铁离子之间具有较为明显的铁磁相互作用，在外加直流场下展现出单分子磁体行为，并且存在3d‑4f单分子磁体中较为罕见的双弛豫现象；(2)本发明合成的一维链状镝铁单分子磁体具有体积小、产率高、产物稳定且制备工艺简单等多种优势，因此其在高密度信息存储固态器件的制备中表现出诱人的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于配位聚合物及其分子基磁性材料技术领域，涉及一种新型分子基磁性材料及其合成方法，具体为一维链状镝铁单分子磁体及其合成方法和应用。
背景技术
磁性材料用途广泛，其应用市场超过了半导体材料；其中，信息存储已是磁性材料最大的应用领域之一。随着信息技术的发展，人们需求电子器件的集成数目成指数倍数增长而器件尺寸不断地减小。这种集成化和微型化的不断发展将受到加工工艺以及成本的限制，造成现代电子器件集成技术难以逾越的障碍。因此，研制开发分子基磁性材料已成为科学家们关注的热点。
单分子磁体(SMM)是分子基磁性材料研究的重要领域。它既能表现经典磁体的宏观磁性，又能表现微观粒子的量子隧穿效应，已成为连接磁性经典理论和量子理论之间的桥梁，而且在高密度信息存储、量子计算机和分子自旋学等领域有着巨大的应用潜能。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，开发出一种新型分子基磁性材料，本发明提供了一维链状镝铁单分子磁体及其合成方法和应用。
技术方案：一维链状镝铁单分子磁体，所述单分子磁体的结构简式为：Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)，其中LN5的化学结构式为：
优选的，所述单分子磁体的化学结构式为：
优选的，所述单分子磁体的结构单位为：晶体属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
α＝97.268(2)°，β＝111.991(2)°，γ＝99.703(2)°。
优选的，所述单分子磁体的一维链状结构是由Dy(III)与配体LN5和Fe(CN)6 3-中的氮原子以及CO3 2-和OH-中的氧原子进行配位形成。
优选的，所述单分子磁体为红褐色块状晶体，在外加磁场作用下表现出典型的双弛豫过程。
以上任一所述一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，所述方法包括以下步骤：将DyCl3·6H2O和2,6-二乙酰基吡啶溶于甲醇中，然后逐滴加入到含有3,7-二氮壬烷-1,9-二胺的超干甲醇溶液中，加热回流搅拌24小时得到澄清的混合溶液，将混合溶液与铁氰化钾的水溶液分别加入到H管两侧底部，再用去离子水将H管加满，密封放置，即可制得一维链状镝铁单分子磁体；
其中，DyCl3·6H2O与2,6-二乙酰基吡啶、3,7-二氮壬烷-1,9-二胺的摩尔比为：1:1～1.5:1～1.5；DyCl3·6H2O与铁氰化钾的物质的量比为1:1～1.5，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于5～10mL的甲醇，每1mmol的3,7-二氮壬烷-1,9-二胺对应于10-20mL的超干甲醇，每1mmol的铁氰化钾对应于10～20mL的去离子水。
优选的，DyCl3·6H2O与铁氰化钾的物质的量比为1:1，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于10mL的超干甲醇，每1mmol的3,7-二氮壬烷-1,9-二胺对应于15mL的超干甲醇，每1mmol的铁氰化钾对应于15mL的去离子水。
优选的，加热回流的温度为65～70℃。
优选的，密封放置的时间为30～40天。
以上任一所述一维链状镝铁单分子磁体在作为分子基磁性材料中的应用。
本发明所述一维链状镝铁单分子磁体的作用原理在于：本发明所述方法采用稀土金属离子(4f)和过渡金属离子(3d)进行结合构筑出3d-4f异核单分子磁体，其中稀土离子中存在着大量的未成对的f电子，具有较大的基态自旋，因此当3d金属离子和稀土离子发生铁磁耦合时，则产生高的基态自旋，从而促使单分子磁体的形成。具有很高的配位数和多变的配位几何构型，有利于形成结构多样的多核金属簇合物；另外，稀土离子具有非常强的磁各向异性，因此稀土离子在3d-4f配合物中也起到提高各向异性的作用。这也解决了单一过渡金属配合物难于同时获得大的基态自旋和大的负各向异性的问题。铁氰根具有强烈的桥联配位作用，得到了深入的研究，合成了一系列的双核、三核、一维、二维和三维配合物。然而具有多弛豫现象的一维链状3d-4f单分子磁体极为罕见。
有益效果：(1)本发明所述方法利用稀土镝离子和铁氰酸根作为基元构筑了一维链状结构，镝和铁离子之间具有较为明显的铁磁相互作用，在外加直流场下展现出单分子磁体行为，并且存在3d-4f单分子磁体中较为罕见的双弛豫现象；(2)本发明合成的一维链状镝铁单分子磁体具有体积小、产率高、产物稳定且制备工艺简单等多种优势，因此其在高密度信息存储固态器件的制备中表现出诱人的应用前景。
附图说明
图1.镝铁单分子磁体Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)的单元结构图；
图2.镝铁单分子磁体Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)的链状结构图；
图3.镝铁单分子磁体Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)的直流磁化率测试图；
图4.镝铁单分子磁体Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)的场依赖的磁化强度曲线图；
图5.镝铁单分子磁体Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)对温度依赖的虚部交流磁化率图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，包括：
步骤一、将DyCl3·6H2O(1mmol)和2，6-二乙酰基吡啶(1mmol)在10mL甲醇混合，搅拌10min，产生淡黄色溶液；
步骤二、3,7-二氮壬烷-1,9-二胺(2mmol)溶于15mL甲醇，逐滴加入步骤一中的溶液中，刚开始滴加时淡黄色澄清溶液会变成淡黄色悬浊，随着3,7-二氮壬烷-1,9-二胺不断加入，溶液又变成淡黄色澄清溶液，65℃下加热回流24h；
步骤三、将步骤二所得到的混合溶液和含有铁氰化钾(1mmol)的15mL水溶液分别加入到H管的两侧，然后再往H管中缓慢加入去离子水，直至加满，密封放置30-40天后得到一维链状镝铁单分子磁体的晶体。
本实施例制备的一维链状镝铁单分子磁体的产率为35.6％。
实施例2
一种一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，包括：
步骤一、将DyCl3·6H2O(1mmol)和2,6-二乙酰基吡啶(1mmol)在8mL甲醇混合，搅拌10min，产生淡黄色溶液；
步骤二、3,7-二氮壬烷-1,9-二胺(2mmol)溶于10mL甲醇，逐滴加入步骤一中的溶液中，刚开始滴加时淡黄色澄清溶液会变成淡黄色悬浊，随着3,7-二氮壬烷-1,9-二胺不断加入，溶液又变成淡黄色澄清溶液，68℃下加热回流24h；
步骤三、将步骤二所得到的混合溶液和含有铁氰化钾(1.2mmol)的20mL水溶液分别加入到H管的两侧，然后再往H管中缓慢加入去离子水，直至加满，密封放置30-40天后得到一维链状镝铁单分子磁体的晶体。
本实施例制备的一维链状镝铁单分子磁体的产率为33.5％。
本实施例制备的一维链状镝铁单分子磁体的表征如下：
(1)晶体结构测定
在显微镜下选取合适大小的单晶，室温下在Bruker SMART Apex II CCD单晶仪上，利用石墨单色化的钼靶Mo Kα
测试结构。利用APEXII程序收集数据和确定晶胞。结构数据运用SAINT和SADABS程序进行归一化处理和吸收校正。运用SHELXTL-97程序进行结构解析。所有非氢原子坐标均由差值傅里叶合成法得到，应用全矩阵最小二乘法对原子坐标和各向异性温度因子进行校正，全部氢原子利用理论加氢。结构图见图1和2，晶体学数据见表1，配位键长见表2。
表1配合物的晶体学数据
表2配合物的配位键长数据
图1和2的结构图表明：Dy(Ⅲ)离子在平面上与有机配体LN5提供的5个N原子进行配位，而在轴向上与桥联配体铁氰化钾和CO3 2-进行配位，形成了一维链状结构。
(2)磁学性能表征：
磁性测量采用超导量子干涉仪Quantum Design MPMS SQUID VSM磁测量系统。直流磁化率的测试温度为1.8～300K，磁场为0.1T。磁化强度的测试温度为1.8K，磁场为0～7T。虚部交流磁化率和实部交流磁化率使用的频率范围为1～999Hz，温度范围是1.8～6.0K，外加直流磁场为0.08T。
如图3所示，当温度在300K时，直流磁化率(χ)与温度(T)的乘积为23.54cm3 mol- 1K，小于2个Dy(III)离子和1个低自旋的Fe(III)的理论值28.71cm3 k mol-1。当温度开始下降时，该乘积逐步下降，而当温度低于50K时，该值开始急剧下降，这是由于体系中存在重要的磁各向异性。磁化强度曲线(图4)显示，当磁场达到7T时，该配合物的磁化强度都未达到饱和，证实了该配合物具有较强的磁各向异性。在外加直流场为0.08T的情况下，该配合物的虚部交流磁化率χ”呈现出明显的温度依赖和频率依赖现象(图5)，产生了两种独立的慢磁弛豫过程。
综合上述现象，本发明所制备的一维链状镝铁配位聚合物在外加磁场为0.08T下即可表现出典型的慢弛豫行为，具有单分子磁体特征，可作为分子基磁性材料在新型高密度信息存储设备(如光盘、硬磁盘等)使用。
Claims (10)
1.一维链状镝铁单分子磁体，其特征在于，所述单分子磁体的结构简式为：Dy2(LN5)2[Fe(CN)6](CO3)(OH)，其中LN5的化学结构式为：
2.根据权利要求1所述的一维链状镝铁单分子磁体，其特征在于，所述单分子磁体的化学结构式为：
3.根据权利要求1所述的一维链状镝铁单分子磁体，其特征在于，所述单分子磁体的结构单位为：晶体属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
α＝97.268(2)°，β＝111.991(2)°，γ＝99.703(2)°。
4.根据权利要求1所述的一维链状镝铁单分子磁体，其特征在于，所述单分子磁体的一维链状结构是由Dy(III)与配体LN5和Fe(CN)6 3-中的氮原子以及CO3 2-和OH-中的氧原子进行配位形成。
5.根据权利要求1所述的一维链状镝铁单分子磁体，其特征在于，所述单分子磁体为红褐色块状晶体，在外加磁场作用下表现出典型的双弛豫过程。
6.权利要求1-5任一所述一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将DyCl3·6H2O和2,6-二乙酰基吡啶溶于超干甲醇中，然后逐滴加入到含有3,7-二氮壬烷-1,9-二胺的超干甲醇溶液中，加热回流搅拌24小时得到澄清的混合溶液，将混合溶液与铁氰化钾的水溶液分别加入到H管两侧底部，再用去离子水将H管加满，密封放置，即可制得一维链状镝铁单分子磁体；
其中，DyCl3·6H2O与2,6-二乙酰基吡啶、3,7-二氮壬烷-1,9-二胺的摩尔比为：1:1～1.5:1～1.5；DyCl3·6H2O与铁氰化钾的物质的量比为1:1～1.5，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于5～10mL的超干甲醇，每1mmol的3,7-二氮壬烷-1,9-二胺对应于10～20mL的超干甲醇，每1mmol的铁氰化钾对应于10～20mL的去离子水。
7.根据权利要求6所述的一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，其特征在于，DyCl3·6H2O与铁氰化钾的物质的量比为1:1，每1mmol的DyCl3·6H2O对应于10mL的超干甲醇，每1mmol的3,7-二氮壬烷-1,9-二胺对应于15mL的超干甲醇，每1mmol的铁氰化钾对应于15mL的去离子水。
8.根据权利要求6所述的一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，其特征在于，加热回流的温度为65～70℃。
9.根据权利要求6所述的一维链状镝铁单分子磁体的合成方法，其特征在于，密封放置的时间为30～40天。
10.权利要求1-5任一所述一维链状镝铁单分子磁体在作为分子基磁性材料中的应用。
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| Title |
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| 张柯等: ""第一过渡系金属-镝单分子磁体研究进展与展望"", 《无机化学学报》, vol. 36, no. 12, pages 2205 - 2226 * |
| 芶晓霜等: ""单离子磁体及其磁弛豫动力学的研究进展"", 《无机化学学报》, vol. 35, no. 11, pages 2013 - 2029 * |
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